地表水源热泵若干常见问题分析.

地表水源热泵若干常见问题分析
2008-07-04 14:21 来源：
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1 前言
随着人民生活水平的不断提高，建筑能耗总量也逐年上升，其中用于空调系统的能耗在总的建筑能耗中所占的比例很高。

在一些高档公共建筑的全年能耗中，大约50%～60％消耗于空调制冷与采暖系统[1]。

空调系统节能，意义重大。

地源热泵以其节能和环保的优点越来越受到人们的关注。

根据ASHRAE的分类方法[2]，地源热泵可以分为土壤耦合热泵、地下水源热泵和地表水源热泵三类。

在我国，土壤耦合热泵和地下水源热泵有了较为广泛和深入的研究，并且已经有了成功的应用。

相比之下，地表水源热泵相关的研究和应用还很少。

如果建筑物附近有合适的地表水源，那么地表水源热泵系统是较好的选择。

我国地域辽阔，地表水资源丰富，尤其是南方地区，存在大量的江河湖泊。

这些自然条件为地表水源热泵的推广使用提供了方便。

2 地表水源热泵的形式和特点
地表水体作为热泵系统的热源和热汇，通常有两种形式[3]：开式和闭式。

闭式系统就是在地表水体中设置换热盘管，用管道与热泵的蒸发器或冷凝器连接成回路，充以媒介水，在水泵的驱动下循环；开式系统中，从水源的底部抽水，送入换热器与循环介质换热，如果冬季水温比较高，也可以将水直接送到机组的换热器，经过换热的水重新排放到水体中。

地表水源热泵所具有的优点使其不断的向前发展，又因为所具有的缺点使其在使用中受到诸多的限制。

从表1中可以看出，水源问题是限制地表水源热泵推广使用的主要障碍。

如果水源问题解决好，势必会促进地表水源热泵的推广应用。

下面就分析一下地表水源热泵应用中水源引起的常见问题。

表1：地表水源热泵系统的优点和缺点
优点缺点
1 和空气相比，热源热汇的温度较为可靠
2 能效比较高
3 适中的运行费用
4 和空气源热泵相比，不需要除霜
5 可能不需要辅助加热1 使用受到地理条件的限制
2 系统容易腐蚀、结垢或堵塞
3 闭式系统的盘管易受损坏
4 初投资比较高
5 水泵需要消耗一定的能量
3 常见问题及其分析
3.1 进水温度过低，机组保护停机。

地表水水温随着季节和地理环境的不同而变化。

夏季，地表水水底水温一般不超过32℃，制冷没有问题。

冬季，特别是北方地区，地表水温度很低，甚至结冰。

这种温度很低的水源进入系统换热后温度进一步降低，如果换热温差过大，就会出现冰冻堵塞或者胀裂管道的危险，从而影响整个系统的运行。

为了防止这种故障的发生，热泵系统一般都会设置进水温度保护装置。

当水温低于设定值时，机组保护停机，水温恢复到设定值以上时，机组重新开机。

如果水温反复变化，机组就会出现频繁的开停机，严重的影响了机组的寿命。

保护停机或频繁的开停机影响了建筑物的空调效果，这种情况下一般采取加辅助热源的方式保证系统正常运行。

辅助热源有锅炉、电加热和太阳能等。

锅炉辅助热量较多，但投资较大；电加热启动速度快，但能源利用效率较低；太阳能是绿色环保的辅助热源，但是受天气的影响很大，见效相对也慢一些。

在实际使用中，辅助热源的选择要根据具体情况慎重考虑，以保证系统的经济高效运行。

3.2 水质不好，引起结垢、腐蚀或产生生物污泥。

如果进入系统的地表水不作任何的处理，很有可能产生污垢、锈蚀、及由于微生物不断繁殖而产生生物粘泥这三大普遍存在的问题。

由此造成管道堵塞，能耗增加，主机的正常运行受到影响，制冷效果降低，设备使用寿命缩短等，并且对周围环境产生不同程度的影响。

3.2.1 结垢
结垢过程就是污垢沉积物在管道表面上的形成过程。

常见的结垢物有钙盐、镁盐和硅化物等。

引起结垢的原因通常有以下几个方面。

（1）水的混浊度大，悬浮于水中的固体微粒因重力作用而沉积；（2）管道和换热器本身表面起化学反应，其产物作为污垢而附于表面上；（3）管道内的水流动速度太小，一般来说，在不考虑其他因素的影响下，水流速度越小，结垢趋势越大。

（4）钙在酸性、中性、弱碱性介质中的溶解度随温度升高而减小，而CO32－的浓度随温度的升高而增大，所以随着温度的升高碳酸钙结垢就越厉害。

（5）如果水中含有铁离子，这些离子在碱性条件下易形成Fe(OH)3、Fe2O3晶体，一旦有这些晶体生成，其他盐类晶体就很容易以其为晶种，吸附在其表面，快速聚集，使结垢程度加大，温度越高，垢形成的越多。

（6）二氧化碳溶于水存在如下电离平衡式：
H2O+CO2→H++HCO3－→CO32－+2H+ (1)
OH－+H+→H2O (2)
Ca2++OH－+HCO3－→CaCO3+H2O (3)
Ca2++CO32－→CaCO3 (4)
在酸性环境中，H+浓度较大，结垢不易发生。

在碱性环境中，（1）式的发生使（2）式电离平衡向右进行，CO32－和HCO3－的浓度增加，（3）（4）两平衡式向右反应，产生CaCO3沉淀，从而加重了结垢的程度。

Mg2+和OH－结合生成的Mg(OH)2溶解度比CaCO3小，
更易沉淀结垢。

3.2.2 腐蚀
金属产生腐蚀的主要原因有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，地表水源热泵系统的腐蚀主要是由溶解氧和Cl－引起的电化学腐蚀。

在阳极极化条件下，介质中的Cl－可使金属发生孔蚀，而且随着Cl－浓度的增加，孔蚀电位下降，使孔蚀容易发生，尔后又使孔蚀加速；溶解氧的还原是腐蚀微电池阴极上的主要反应。

以铁为例说明溶解氧和Cl－的腐蚀机理：贫氧区：
Fe→Fe2++2e－
Fe2++4Cl－→[FeCl4]2－
[FeCl4]2－+2H2O→Fe(OH)2+2H++4Cl－
2H++2e－→H2
富氧区：
Fe→Fe2++2e－
O2+2H2O+4e－→4OH－
Fe2++2OH－→Fe(OH)2
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3
2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O
3.2.3 生物污泥
自然水体中常见的有害微生物主要有藻类、细菌和真菌。

它们的生成主要是由于水体的温度和pH值恰好适合微生物的生长。

而且水体中有它们生长所需的营养源，如有机物、碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐等，加上自然水体常年有阳光照耀，给微生物的生长提供了良好的条件。

许多细菌都具有粘性细胞壁和形成菌角团的能力，能将悬浮水中的无机物、腐蚀产物、灰砂淤泥等粘结在一起，形成淤泥沉淀物，附着在管壁上，且越积越厚。

微生物沉淀不仅增大传热热阻，还会影响冷却水的流通性，使传热系数进一步降低。

3.2.4 水质处理
（1）化学处理法。

一般是加入不同作用的水处理药剂：缓蚀剂、阻垢剂和杀菌灭藻剂。

化学处理方法一般需要专业人员管理，运行成本较高，对环境有一定的污染。

（2）静电处理法。

利用静电作用使水产生一些自由电子，附着于管壁，防止管壁金属失去电子而被氧化；同时溶解氧得到活化，具有一定的防腐和杀菌灭藻作用，但防垢效果不理想，电极要求较高且要定期进行清洗。

（3）磁化处理法。

磁化水形成的水垢较为疏松，附着力弱，容易冲洗；同时强力的磁场作用，微生物的分子结构会变化失去活性，可以抑制生物污泥的产生。

但磁场强度随时间逐步减弱或消失，水处理效果也相应的越来越差。

（4）离子交换法。

利用离子交换剂取代水中的钙镁离子，使水软化达到防垢作用。

但没有防腐杀菌灭藻效果，对环境也有一定的影响。

（5）高频电子法。

利用发生器产生的高频电信号，使水的物理结构发生变化，激活了一些自由电子，同时高频磁场使水中的溶解氧成为了惰性氧，抑制了铁锈的产生并切断了微生物的氧来源，达到了防腐阻垢，杀菌灭藻的作用。

在实际工程应用中，对水质要进行分析，根据不同的水质选择合适的水处理方法。

除了水处理以外，还可以针对不同的水质选择不同的管材，提高管道中的水流速度等方法来阻止结垢、腐蚀和生物污泥三大危害的发生。

3.3 水处理不当，引发二次污染。

自然水体一般都含有各种各样的杂质，这些水源在进入热泵系统前要进行处理。

目前空调水处理很多用投放磷系化合物的方法，在运行过程中，如果出现泄露、不经处理排放，含磷物质就会进入自然水体，磷本身就是富营养物质，它能使水中的植物迅速生长并消耗掉水中的氧，导致水中动物因缺氧而死亡。

现在空调中常用的防冻液主要由乙二醇和水配兑构成，如果操作管理不当，就会进入自然水体，给环境和空气造成污染，进入人体就容易使人体内酸碱平衡失调，对肾产生破坏。

二次污染对环境的影响不容忽视，在空调水处理时，要尽量避免使用化学方法。

即使使用化学方法，排放物也要经过处理达到排放标准才能排放。

3.4 取水温差过大，破坏生态环境。

水温是影响水生物生长繁殖和分布的重要环境原因，在适宜的温度范围内，生物的生长速度与温度成正比的，超过适宜的温度范围时，生物的行为活动以及生长繁殖都将受到抑制，甚至死亡。

夏季，取水温差过大，即超过35℃时，水中浮游生物的种类和数量减少，群落的物种多样性也会降低[4]；冬季，取水温差过大会出现较低的温度，不仅影响了水中的生物种类，还有可能冻坏空调水管。

3.5 安装管理不当，损坏换热盘管。

地表水源热泵闭式系统主要的换热装置是浸在水中的换热盘管。

这些换热盘管如果放置在公共水域中，很容易遭到人为的破坏，导致盘管变形或破裂。

如果水域中水流速度过大，也会导致盘管变形或破裂。

换热盘管变形会影响换热效果，导致机组出力不足。

如果破裂，闭环系统中的防冻液就会泄漏出来，不仅影响了系统的正常运行，还会造成环境污染。

因此，工程实际使用中可以在放置盘管的地方设置警示牌，并且把换热盘管放置在流速适当的地方，从而削减水流速过大带来的负面影响。

3.6 取水、排水口位置不当，机组运行效率降低。

热泵系统在制冷工况时，冷热源温度越低热泵效率越高；制热工况时，冷热源温度越高热泵效率越高。

制冷时，经过换热的水再次排放到水体中，如果取水口和排水口设置位置不当，排出的水还没有经过充分的自然冷却又从取水口进入系统，无疑降低了热泵的效率。

制热工况亦然。

通常情况下，取排水口的布置原则是上游深层取水，下游浅层排水；在池塘水体中，取水口和排水口之间还要有一定的距离，保证排水再次进入取水口之前温度能最大限度的恢复。

当然，最好的方法是用CFD软件对系统工况进行模拟，选择最佳的取水和排水口位置。

4 结束语
地表水源热泵作为地源热泵的一种形式，实际使用远没有土壤源耦合热泵和地下水源热泵成熟。

要推广地表水源热泵系统，解决水源引起的相关问题势在必行，而水源的问题
主要集中在水温和水质两个方面。

水温方面，机组的自保护功能限制了进水温度，温度较低的情况下先通过其他方法提高温度后进入机组；取水温差不宜过大，防止破坏生态环境；排水口的位置要选择得当，避免“水短路”的情况发生。

水质方面，结垢、腐蚀和生物污泥是三大主要问题。

水源的水质不同，引起三大问题的严重程度也不同。

对于水质不好的水源，在进入系统前要进行处理，以减少结垢、腐蚀和生物污泥的危害，同时要注意处理的方法，防止产生二次污染。